Устройство для распыления жидкости или суспензии и способ его получения - RU2126114C1
Код документа: RU2126114C1
Чертежи
Описание
Данное изобретение относится к устройствам и способам, использующим камеру импульсного сгорания для распыления жидкостей или суспензий.
Распыление жидкости или суспензий занимает важное место во многих системах. В частности, распыление топлива для установок сгорания и газификации - ключевой этап в достижении желаемых характеристик в таких устройствах. Топливо, которое распылено на маленькие частицы, обычно способно к более полному сгоранию при более высокой температуре и лучшем перемешивании топлива с воздухом, что повышает эффективность сгорания.
В настоящее время используются, прежде всего, два типа распылителей: (1) одноканальные распылители высокого давления (показан на фигуре 1) и 2) двухканальные распылители (показаны на фигурах 2A, 2B и 3).
В одноканальных распылителях высокого давления жидкое топливо или топливная суспензия нагнетается при повышенном давлении, которое проталкивает топливо с высокой кинетической энергией через отверстие в форсунке. Распыленное топливо, покидающее форсунку, затем разбрызгивается в камере сгорания. Высокая скорость распыленного топлива, в свою очередь, создается для лучшего смешивания топлива с воздухом и получения в результате более эффективных характеристик устройства сгорания.
Одноканальный распылитель высокого давления, показанный на фигуре 1, использует насос высокого давления или подъема давления жидкости топлива и приведения в действие распылителя. Жидкое топливо с избыточным давлением распространяется через сопло, так чтобы сообщить высокую скорость текучей среде, в результате чего получается распыленный аэрозоль. Операция подкачки может быть непрерывной, либо прерывистой, причем насосы прерывистого действия используются в поршневых агрегатах внутреннего сгорания с впрыском топлива, таких как дизельные или бензиновые двигатели.
В двухканальных распылителях для распыления жидкости топлива или топливной суспензии используется отдельная распыляющая текучая среда. В общем случае двухканальные распылители бывают либо с внутренним смешиванием, как показано на фигурах 2A и 2B, или внешним смешиванием, как показано на фигуре 3. В двухканальных распылителях с внутренним смешиванием распыляющая текучая среда встречается с топливом внутри камеры распыления, и смесь выталкивается с высокой скоростью из сопла, образуя аэрозоль распыленного топлива. Один такой двухканальный распылитель, показанный на фигуре 2A, использует Y-образное расположение струй, при котором распыляющая текучая среда (обычно газ или пар) встречается с жидким топливом или топливной суспензии под острым углом. В другом двухканальном распылителе, показанном на фигуре 2B, используется эжектор с T-образным расположением струй, в котором поток распыляющего газа встречается с жидким топливом или топливной суспензии под прямым углом. Также распылители могут работать в качестве эжекторов, и в некоторых случаях при этом не требуется насос для подвода топлива. В обоих вариантах описанных двухканальных распылителей с внутренним смешиванием смешивание распыляющей текучей среды и жидкого топлива или топливной суспензии происходит внутри корпуса распылителя, до того как распыленное топливо покинет распылитель.
В двухканальных распылителях с внешним смешиванием, таких как распылитель, показанный на фигуре 3, распыляющая текучая среда встречается с жидким топливом или топливной суспензией вне корпуса распылителя. Смешивание распыляющей текучей среды с топливом вне распылителя полезно, в частности, когда используются угольные шламы и вязкие жидкие топлива, такие как остаточные нефтепродукты. Такие высокоабразивные либо с высокой вязкостью топлива имеют тенденцию вызывать быструю эрозию внутренних стенок распылителя при использовании распылителя с внутренним смешиванием. При смешивании распыляющего газа и топлива вне корпуса распылителя скорость эрозии уменьшается.
В частности, в двухканальном распылителе с внешним смешиванием, показанном на фиг. 3, кольцевидная полость распределяет жидкое топливо или суспензию вокруг сверхзвуковой струи распыляющей текучей среды. Тонкий слой жидкого топлива срывается сверхзвуковым потоком через полость для получения аэрозоля распыленного топлива. Топливо попадает на путь движения распыляющей текучей среды, после того как распыляющий газ выходит из сверхзвукового сопла. Распыляющая текучая среда доставляется со скоростью, достаточной для увеличения капель топлива в требуемый аэрозоль распыленного топлива.
Как было упомянуто выше, одноканальные распылители высокого давления обычно используются в дизельных двигателях и подобных им установках с впрыском топлива, в частности, когда необходимо регулировать распределение расхода потока в функции времени. Давления, используемые в таких одноканальных распылителях, могут быть выше 10 000 фунтов на квадратный дюйм.
В агрегатах и котлах большой мощности обычно предпочитают использовать двухканальные распылители. В таких установках нет необходимости поднимать до высокого уровня давление; при этом приемлемо давление в диапазоне примерно от 50 до 250 фунтов на квадратный дюйм.
В каждой из вышеописанных двухканальных систем используемая обычно распыляющая текучая среда представляет собой сжатую текучую среду, например воздух или пар. В системах со сжатым воздухом обычно используются давления в диапазоне порядка от 50 до 600 фунтов на квадратный дюйм в зависимости от требований установки.
Что касается распылителей с внутренним смешиванием, соотношение между распыляющей текучей средой и жидким топливом меняется в диапазоне порядка от 0.07 до 0.50 фунта распыляющей текучей среды на один фунт жидкого топлива, подлежащего распылению. Для двухканальных распылителей с внешним смешиванием требуется больший поток распыляющей текучей среды. Количество распыляющей текучей среды в таких распылителях лежит в пределах порядка от 0.40 до 3.0 фунтов на фунт жидкого топлива, подлежащего распыления.
Как следует ожидать, при использовании такого рода известных распылителей, воздушными компрессорами для подачи распыляющей текучей среды потребляется большое количество паразитной мощности. Хотя в двухканальных распылителях с внутренним смешиванием всего 1.5% полной выходной мощности составляет паразитная мощность воздуха, в двухканальных распылителях с внешним смешиванием обычно требуется до 15% полной выходной мощности для работы компрессоров. Более того, когда используется более вязкое или с большим количеством абразива топливо, количество воздуха, необходимого для распыления, значительно возрастает. Кроме того, большое количество распыляющего воздуха требуется в частности для процессов распыления с внешним смешиванием, в результате чего необходимы слишком большие компрессоры, которые требуют затрат значительной части выходной мощности установки для своей работы.
Известно устройство для распыления жидкости или суспензии, содержащее устройство импульсного сгорания для образования поля пульсирующего потока распыляющей текучей среды, причем устройство импульсного сгорания включает источник подачи в него топлива, клапан, камеру сгорания, связанную с клапаном, резонансный патрубок, сообщенный и соединенный с камерой сгорания, и средство для ввода жидкости или суспензии, подлежащей распылению, в устройство импульсного сгорания, причем указанное средство ввода расположено рядом с местом соединения камеры сгорания и резонансного патрубка для обеспечения возможности распыления жидкости или суспензии /см. патент США N 4183145, кл. F 26 B 3/08, 1980/.
Известно также устройство распыления топлива, содержащее средство для подачи топлива, подлежащего распылению, и средство подачи распыляющей текучей среды /см. авторское свидетельство СССР N 587298, кл. F 23 D 11/10, 1978/.
Известно устройство для создания и использования распыленного топлива, содержащее средство для подачи топлива, подлежащего распылению, средство подачи распыляющей текучей среды и средство для использования распыленного топлива /см. авторское свидетельство СССР N 587298, кл. F 23 D 11/10, 1978/.
Известен также способ распыления жидкостей или суспензии, включающий импульсное сгорание топлива в устройстве импульсного сгорания, генерирование вызванных сгоранием колебаний для получения потока распыляющего газа, введение жидкости или суспензии, подлежащих распылению, в зону действия потока распыляющей текучей среды так, что распыленная жидкость или суспензия образуется под влиянием пульсирующего потока /см. патент США N 4183145, кл. F 26 B 3/08, 1980/.
Известные распылители требуют большое количество сжатого воздуха либо другой текучей среды для распыления. Кроме того, с двухканальными распылителями с внутренним смешиванием обычно возникает проблема эрозии. Следовательно, необходим эффективный безэрозионный процесс распыления, который не требует затрат значительного количества паразитной мощности.
Устройства и способ согласно настоящему изобретению решают большинство, если не все, из вышеуказанных проблем предшествующих разработок и обладают желаемыми свойствами, установленными выше, посредством использования устройства импульсного сгорания для распыления топлива. Данное устройство распыления может быть создано для подачи распыленного топлива к системам сгорания, газификации и другим системам, использующим потоки распыленной жидкости или суспензии.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности устройства и способа распыления жидкости или суспензий, создание распылителя жидкостей или суспензий, которые не требуют паразитной мощности, как в ранее известных распылителях, и создание распылителя топлива, который не подвержен быстрой эрозии при распылении высокоабразивных суспензий и жидкостей с высокой вязкостью.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для распыления жидкости или суспензии, содержащем устройство импульсного сгорания для образования поля пульсирующего потока распыляющей текучей среды, причем устройство импульсного сгорания включает источник подачи в него топлива, клапан, камеру сгорания, связанную с клапаном, резонансный патрубок, сообщенный и соединенный с камерой сгорания, и средство для ввода жидкости или суспензии, подлежащей распылению, в устройство импульсного сгорания, при этом указанное средство ввода расположено рядом с местом соединения камеры сгорания и резонансного патрубка для обеспечения возможности распыления жидкости или суспензии, согласно изобретению источник подачи топлива в устройство импульсного сгорания выполнен в виде отдельного средства для ввода в него топлива, клапан служит для ввода в него воздуха, а средство для ввода жидкости или суспензии расположено ниже по потоку от камеры сгорания. Клапан для обеспечения воздуха и средство для ввода топлива в камеру сгорания являются одним и тем же устройством, а именно аэродинамическим клапаном. Устройство распыления связано с расположенным далее последующим средством сгорания для приема распыленной жидкости или суспензии, при этом последующее средство сгорания содержит дополнительное устройство импульсного сгорания. Желательно, чтобы устройство для распыления жидкости или суспензии, кроме того, содержало средство газификации, сообщенное с устройством импульсного сгорания для приема распыленной жидкости или суспензии.
Поставленная задача решается также тем, что в устройстве распыления топлива, содержащем средство для подачи топлива, подлежащего распылению, и средство подачи распыляющей текучей среды, согласно изобретению средство подачи распыляющей текучей среды выполнено в виде устройства импульсного сгорания, способного производить пульсирующий поток распыляющей текучей среды и акустическую волну с частотой в диапазоне порядка от 20 до 1500 Гц, включающего камеру сгорания, средство для ввода топлива и воздуха в камеру сгорания по меньшей мере один резонансный патрубок, соединенный с камерой сгорания, при этом топливо, подлежащее распылению, подается к устройству импульсного сгорания, а средство для подачи этого топлива расположено рядом с местом соединения камеры сгорания и резонансного патрубка ниже по потоку от камеры сгорания для обеспечения возможности распыления топлива, происходящего под воздействием пульсирующего потока распыляющей текучей среды, для получения распыленного топлива, а в устройстве для создания и использования распыленного топлива, содержащем средство для подачи топлива, подлежащего распылению, средство подачи распыляющей текучей среды и средство для использования распыленного топлива, согласно изобретению средство подачи распыляющей текучей среды выполнено в виде устройства импульсного сгорания для получения пульсирующего потока распыляющей текучей среды, имеющего камеру сгорания, клапан, соединенный с камерой сгорания, для подвода воздуха в камеру сгорания, средство для подачи топлива к устройству импульсного сгорания для его воспламенения, резонансный патрубок, соединенный с камерой сгорания, распыленное топливо получают посредством устройства импульсного сгорания, а средство для использования распылительного топлива соединенного с резонансным патрубком, при этом топливо, подлежащее распылению, подается к устройству импульсного сгорания, а средство для подачи этого топлива расположено рядом с местом соединения резонансного патрубка и камеры сгорания ниже по потоку от камеры сгорания для обеспечения возможности распыления топлива, происходящего под воздействием поля указанного пульсирующего потока.
Способ распыления жидкостей или суспензий, включающий импульсное сгорание топлива в устройстве импульсного сгорания, генерирование вызванных сгоранием колебаний для получения потока распыляющего газа, кроме того, вводят жидкость или суспензию, подлежащую распылению, в зону действия потока распыляющей текучей среды так, что распыленная жидкость или суспензия образуется под влиянием пульсирующего потока, согласно изобретению характеризуется тем, что жидкость или суспензию, подлежащую распылению, вводят в зону действия потока распыляющей текучей среды вслед за камерой сгорания.
Жидкость или суспензия, подлежащая распылению, может являться топливом, и тогда этим способом получают распыленное топливо.
В общем случае устройство согласно настоящему изобретению включает устройство распыления, в которое входит средство импульсного сгорания для образования потока распыляющей текучей среды и средство для подачи топлива к средству импульсного сгорания таким образом, что распыляемые жидкости или суспензии обрабатываются потоком действующей на них распыляющей текучей среды. Способ распыления согласно настоящему изобретению включает этапы создания потока распыляющей текучей среды посредством импульсного сгорания и доставки жидкости или суспензии, подлежащей распылению, к потоку распыляющей текучей среды, так чтобы получить распыленную жидкость или суспензию, которую можно доставить для дальнейшего использования.
Хотя настоящее изобретение направлено на распыление жидкостей и/или суспензий, при описании заявленного изобретения в качестве примера делаются ссылки на распыление топлива.
Предпочтительный вариант устройства настоящего изобретения включает устройство импульсного сгорания, имеющее камеру сгорания, связанную с аэродинамическим клапаном для подвода топлива или воздуха, необходимого для камеры импульсного сгорания. Устройство импульсного сгорания включает один или больше резонансных патрубков, связанных с камерой сгорания. Устройство для подачи топлива к камере импульсного сгорания выполнено таким образом, чтобы создать пульсирующий поток распыляющей текучей среды. Устройство далее включает средство, расположенное вслед за камерой сгорания, для подачи топлива, подлежащего распылению, и выполненного предпочтительно в виде инжектора. Таким образом этот второй инжектор подает топливо в виде суспензии или жидкости, которая должна быть распылена, в распыляющую текучую среду, так что происходит распыление топлива под влиянием описанного здесь поля колеблющегося, или пульсирующего потока. Будучи зажженным, устройство импульсного сгорания создает пульсирующий поток продуктов сгорания, который играет роль распыляющей текучей среды для топлива, подающегося ниже (по течению газа). Топливо, которое впрыскивается предпочтительно рядом с местом соединения резонансного патрубка и камеры сгорания, подается затем в полость для основного сгорания либо в другое устройство, такое как газификатор для использования распыленного топлива в процессе сгорания либо газификации.
В другом варианте реализации настоящего изобретения используется нагнетатель для увеличения расхода воздуха, подводимого через вышеописанный аэроклапан. В качестве нагнетателя можно использовать установку принудительной вентиляции, воздуходувку, воздушный компрессор либо другой прибор для создания избыточного давления воздуха, подаваемого в камеру сгорания через аэроклапан. Когда воздух подается с высоким давлением, устройство импульсного сгорания функционирует в условиях впуска воздуха с избыточным давлением.
Изобретение будет более понятным из описания, сопровождаемого
ссылками на сопутствующие чертежи, являющиеся его
составной частью, на которых показаны примеры изобретения. При этом:
На фигуре 1 представлена схема известного одноканального распылителя
высокого давления;
На фигуре 2A представлена
схема известного двухканального распылителя с Y-образным расположением струй с внутренним смешиванием;
На фигуре 2B представлена схема
известного двухканального распылителя с T-образным
расположением струй в эдукторе с внутренним смешиванием;
На фигуре 3 изображена схема известного двухканального распылителя с внешним
смешиванием;
На фигуре 4 показана схема первого
конкретного варианта реализации устройства импульсного сгорания-распыления;
На фигуре 5 изображена схема другого конкретного варианта
реализации устройства импульсного сгорания-распыления
настоящего изобретения, в которой добавлен нагнетатель воздуха.
Использование одинаковых цифровых ссылок в данном описании и чертежах имеет целью представление одних и тех же либо аналогичных характеристик или элементов изобретения на разных чертежах.
Как было упомянуто выше, изобретение направлено на распыление жидкостей и суспензий. В этом описании в качестве примера конкретной жидкости или суспензии используется топливо, которое может быть распылено.
В предпочтительных устройствах для распыления топлив согласно настоящему изобретению используется устройство импульсного сгорания для получения распыляющей текучей среды, которая затем используется для распыления жидкости или суспензии. До этого использования устройства импульсного сгорания для распыления топлив не было известно. По существу настоящее изобретение представляет собой двухканальное распыляющее устройство. Устройство импульсного сгорания создает пульсирующий поток продуктов сгорания (или распыляющей текучей среды), который воздействует и распыляет вторичную жидкость или суспензию (предпочтительно топливо), которое затем переводится в распыленное состояние для дальнейшего использования по желанию, например, для последующего сгорания или газификации.
На фигуре 4 изображен первый конкретный вариант устройства распыления топлива со средством импульсного сгорания в соответствии с настоящим изобретением. Устройство импульсного сгорания в целом на фигуре 4 показано под номером 10. Устройство импульсного сгорания 10 в общем случае включает камеру сгорания 12, клапан 14, связанный с камерой сгорания 12, и один либо более резонансных патрубков 16, связанных с камерой сгорания 12. Конкретный вариант устройства импульсного сгорания, который может быть использован в настоящем изобретении, в целом и в деталях описан в патенте США N 5059404, выданном Mansour и др., который включен в данное описание со ссылкой.
В частности, в устройстве импульсного сгорания может использоваться аэродинамический клапан (газовый диод), механический клапан либо что-то подобное в качестве клапана 14, камере сгорания 12 и одна или более выводящих труб или резонансных патрубков 16. Кроме того, устройство импульсного сгорания в соответствии с настоящим изобретением может включать воздушную камеру и форсажную камеру или нагнетатель, как будет описано ниже в связи с фигурой 5.
Распылитель топлива с устройством импульсного сгорания настоящего изобретения, кроме того, включает средство ввода первичного топлива 18 для подвода топлива для работы устройства импульсного сгорания, хотя топливо для сгорания может подводится и вместе с воздухом через клапан 14. Предусмотрено средство ввода дополнительного топлива 20 для ввода топлива, которое должно быть распылено с помощью устройства сгорания 10. Средство ввода первичного топлива 18, предпочтительно топливный инжектор, доставляет топливо в камеру сгорания 12 для сжигания в устройстве импульсного сгорания 10. Для подачи жидкости в устройство через средства ввода первичного топлива и дополнительного топлива 18 и 20 можно использовать любые известные устройства. Например, могут быть применены известные устройства впрыска, использующие текучую среду под давлением для разбрызгивания жидкого топлива. Однако в использовании инжекторов под давлением нет необходимости, поскольку камера сгорания 12, являющаяся в процессе своего функционирования источником вакуума, как здесь будет описано, будет отсасывать топливо из средств ввода первичного и дополнительного топлива 18 и 20 без избыточного давления извне.
Как также показано на фигуре 4, средство ввода первичного топлива устройства импульсного сгорания 18 вводит топливо для сжигания в устройство импульсного сгорания 10 предпочтительно рядом с сочленением воздушного клапана 14 и камеры сгорания 12. Такое расположение средства ввода первичного топлива 18, однако, не является обязательным в настоящем изобретении. В действительности, как указывалось выше, средство ввода первичного топлива 18 может быть вообще исключено. Вместо него, как здесь сказано, клапан 14 может подводить топливовоздушную смесь к камере сгорания 12, так что поток дополнительного топлива, создаваемого, например, средством ввода первичного топлива 18 не потребуется.
Как показано на фигуре 4, камера сгорания 12 связана с резонансным патрубком 16 для приема пульсирующего потока продуктов сгорания. Устройство ввода дополнительного топлива 20, которое добавляет топливо, подлежащее распылению, размещается предпочтительно рядом с сочленением резонансного патрубка 16 и камеры сгорания 12. Однако, как будет отмечено, средство ввода дополнительного топлива 20, которое может быть размещено где-либо по длине резонансного патрубка(ков) 16, обеспечивающего поток распыляющего газа, создаваемого путем импульсного сгорания в камере сгорания 12, может работать под воздействием поля пульсирующего потока для распыления топлива.
Камера сгорания 12 и резонансный патрубок(ки) 16 образуют, как здесь описано, регулируемый резонатор Гельмгольца. Клапан 14 действует как диод, так что в ответ на пульсации давления в камере сгорания 12, вызванные выбросами тепла и массы из-за сгорания, возникает самовсасывание воздуха. Как показано ниже, варианты настоящего изобретения включают использование в качестве клапана 14 механического клапана вместо аэродинамического.
Устройство импульсного сгорания такое, как используемое в настоящем изобретении, работает обычно следующим образом. Топливо поступает в камеру сгорания 12 через средство ввода первичного топлива 18 или, как вариант, через клапан 14. Воздух поступает в камеру сгорания через клапан 14. Источник дуги или искры (не показан) детонирует при запуске взрывчатую смесь. Внезапное увеличение в объеме, вызванное резким увеличением температуры и выделением продуктов сгорания, поднимает давление в камере сгорания 12. Когда горячий газ расширяется, клапан 14 в виде газового диода пропускает поток по направлению к резонансному патрубку(кам) или выводящей трубе(ам) 16. Газовый поток продуктов сгорания, являющийся распыляющий текучей средой в настоящем изобретении, выходя из камеры сгорания 12, обладает значительным импульсом. В камере сгорания 12 благодаря инерции распыляющей текучей среды внутри резонансного патрубка(ков) 16 создается вакуум, что позволяет возвращаться в камеру сгорания 12 только малым фракциям распыляющей текучей среды при балансе распыляющей текучей среды или газа, выходящего через резонансный патрубок(ки) 16. Из-за того, что затем давление становится ниже атмосферного, смесь топлива с воздухом всасывается в камеру 12, где имеет место ее самовоспламенение. Затем клапан 14 отсекает обратный поток и цикл начинается снова. После того как осуществился первый цикл, работа установки поддерживается автоматически или самовсасыванием.
Используемый во многих системах импульсного сгорания клапан представляет собой механическую заслонку. Заслонка фактически является контрольным клапаном, позволяющим потоку проходить от места впуска к камере сгорания и отсекающим обратный поток посредством посадки клапана в гнездо.
Хотя такие механические клапаны и могут использоваться в составе настоящей системы, аэродинамический клапан без движущихся частей более предпочтителен. При использовании аэродинамического клапана в нем образуется граничный слой во время такта выпуска, и турбулентные завихрения запирают большую часть обратного потока. Кроме того, выпускные газы имеют более высокую температуру, чем впускные газы. Соответственно вязкость газа будет существенно выше, а обратное сопротивление впускного отверстия, в свою очередь, намного выше, чем сопротивление потоку в прямом направлении через то же самое отверстие. Это явление вместе со значительной инерцией распыляющей текучей среды, выпускаемой в резонансный патрубок(ки) 16, образуют вместе предпочтительный усредненный поток от впуска к выпуску. Таким образом, импульсное горение позволяет создать самовсасывающий агрегат, обеспечивающий всасывание воздуха и топлива в камеру сгорания 14, самовоспламенение и получение продуктов сгорания для образования распыляющей текучей среды, используемой в настоящем изобретении.
Как отмечалось выше, используемый здесь предпочтительный вариант устройства импульсного сгорания основан на конструкции Гельмгольца с аэродинамическим клапаном. Флуктуации давления, возникающие при сгорании в устройстве сгорания на основе резонатора Гельмгольца, связанные с односторонней газовой проводимостью аэродинамического клапана, вызывают перемещение потока воздуха и топлива от места впуска устройства сгорания к выходу резонансного патрубка(ков) 16. Это приводит к самовсасыванию воздуха для сгорания устройством сгорания и к подъему в среднем давления, развивающегося в камере сгорания, для вытеснения продуктов сгорания с высокой средней скоростью потока (обычно свыше 1000 фут/сек) в и через резонансный патрубок(ки) 16.
Образование интенсивной акустической волны является неотъемлемым свойством импульсного горения. Интенсивность звука, излучаемого на соседнюю стенку камеры сгорания 12, обычно находится в диапазоне 110-190 дБ. Этот диапазон может изменяться в зависимости от желательной частоты акустического поля для приспособления к конкретному применению посредством устройства импульсного сгорания.
Резкое колебание давления в камере сгорания 12 образует интенсивное поле пульсирующего потока. Поле флуктуирующего потока заставляет распыляющую текучую среду или продукты сгорания вылетать из топлива, которое сгорает в устройстве импульсного сгорания, обеспечивая таким образом доступ к кислороду при небольшой диффузии либо вообще при ее отсутствии. Во-вторых, из опыта известно, что устройство импульсного сгорания имеет очень высокую скорость переноса массы и тепла в зоне сгорания. Поскольку в этих устройствах сгорания стремятся получить очень высокие скорости выделения тепла (обычно в десять раз большие, чем в обычных топках), перенос значительной массы с высокой энергией внутри зоны сгорания приводит к более однородной температуре. Таким образом, достигаемый перепад температур будет намного ниже, чем в известных системах, в результате чего достигается значительное уменьшение образования оксидов азота (NOx), как описано в патенте США N 5059404. Высокие скорости выделения тепла приводят также к возможности уменьшения размера устройства сгорания, необходимого для данного расхода при горении, и уменьшения требуемого периода резонанса.
Система импульсного сгорания настоящего изобретения регулирует свой собственный стехиометрический состав в зоне горения без необходимости использования внешних контролирующих устройств для регулирования соотношения между подачей топлива и расходом воздуха для сгорания. Так как скорость подачи топлива увеличивается, возрастает интенсивность пульсаций давления в камере сгорания 12, что, в свою очередь, увеличивает количество воздуха, всасываемого аэродинамическим клапаном. Таким образом, устройство импульсного сгорания автоматически поддерживает стехиометрический состав в расчетной зоне воспламенения. Образуемый стехиометрический состав можно изменить, модифицируя газовую проводимость (диодные свойства) аэродинамического клапана.
В некоторых вариантах настоящего изобретения могут быть установлены два устройства импульсного сгорания (в тандеме), где два устройства импульсного сгорания, показанные на фигуре 4, работают в максимальной близости. В работе тандема используется фазовый сдвиг 180o между каждой установкой, в результате чего возникает суперпозиция акустических волн и взаимная компенсация выделяющихся звуковых излучений. Такой тандем устройств сгорания может быть сконструирован так, что топлива "T" играет роль связующего, обеспечивающего автоматическое перемещение топлива между каждым из устройств импульсного сгорания в тандеме. При этих условиях в одной камере сгорания достигается фаза низкого давления в тот момент, когда в другой камере достигается фаза высокого давления. Благодаря градиенту давления, существующему в связующем топливе, продукты сгорания ускоряются от камеры с высоким давлением к камере с низким давлением. Импульс ускоряемых газов перемещает поток топлива от основного источника топлива в канал топлива "T", и, в конечном счете, в камеру сгорания с низким давлением. На полцикла позднее подобное же явление происходит в противоположном направлении. Таким образом, топливо может быть должным образом фазировано без использования механических заслонок либо камеры независимого фазирования. Фактическая неустойчивость установок в тандеме, использующих связь через общее топливо, обеспечивает автоматическое разнесение по фазе двух установок для сгорания на 180o, так как установкам присуща способность к поиску наиболее стабильного и устойчивого режима работы. Этот режим дает эффективное фазирование топлива, т.е. со сдвигом по фазе на 180o.
Могут быть предложены и другие модификации устройства импульсного сгорания 10 настоящего изобретения. Например, если это необходимо, для отвода тепла от резонансного патрубка(ков) 16 и его направления к котлу или другому газонагревательному прибору могут быть использованы рубашки водяного охлаждения. Кроме того, резонансный патрубок(ки) 16 можно использовать в различных конструктивных вариантах. Например, труба может расширяться наружу, давая возможность резонансному патрубку в целом действовать как диффузор, уменьшая скорость выхода газа из камеры сгорания, прежде чем ему поступить в полость основного устройства сгорания или систему газификации. Кроме того, резонансный патрубок(ки) 16 может быть просто прямым, но иметь на своем выходном конце диффузную секцию, состоящую из расширяющейся снаружи выводной трубы или, как вариант, может включать диффузную секцию на ближнем в камере сгорания 12 конце с отходящей от нее просто прямой трубой.
При работе в соответствии с настоящим изобретением устройство импульсного сгорания 10 производит пульсирующий поток распыляющего газа и акустическую волну, имеющую частоту в диапазоне порядка 20-1500 Гц. Когда топливо горит, пульсирующий поток распыляющего газа покидает камеру сгорания 12 и проходит в резонансный патрубок(ки) 16. Поток распыляющего газа, покидающий камеру сгорания 12, имеет скорость достаточную, чтобы распылять топливо, которое было впрыснуто или подведено с помощью средства ввода дополнительного топлива 20. После того как распыляющий газ встречается с топливом, подлежащим распылению, топливо распыляется и перемещается вдоль резонансного патрубка(ков) 16, повышая скорость, пока распыленное топливо не будет доставлено к главной полости для сгорания либо к другой установке.
Соответствующая импульсная струя топлива доставляется в камеру сгорания 12 посредством первого устройства ввода 18 и/или клапана 14. Обычно для сжигания в устройстве импульсного сгорания 10 предпочтительно использовать легко воспламеняющееся топливо, такое как природный газ, пропан, обогащенный водородом синтез-газ и другие подобные газы. Однако возможно использовать жидкие топлива, предпочтительно легкие дистилляты, такие как бензин и керосин. Кроме того, для сгорания в устройстве импульсного сгорания 10 можно использовать твердое топливо, такое как бурые углы, опилки и другие твердые топлива с высокой реакционной способностью. Чем выше воспламеняемость используемого топлива, тем выше амплитуда достигаемого динамического давления, вызываемого спонтанным резонансом в резонаторе Гельмгольца. Кроме того, легко воспламеняющиеся топлива обеспечивают более высокую скорость выделения тепла в единице объема резонатора Гельмгольца.
Как было указано ранее, пульсирующее динамическое давление в камере сгорания 12 при наличии аэродинамического клапана или подходяще сконструированного механического клапана обеспечивает подъем давления в камере сгорания 12, которое проталкивает распыляющий газ через резонансный патрубок(ки) 16 с высокой скоростью. В потоке распыляющего газа через резонансный патрубок используется высокая кинетическая энергия для распыления топлива, обеспечиваемого инжектором топлива 20. Из резонансного патрубка(ков) 16 распыленное топливо вводится в главную полость сгорания 50, куда добавляется дополнительный воздух для сгорания и где происходит сгорание распыленного топлива.
Изменяя количество избыточного воздуха, доставляемого к устройству импульсного сгорания, и количество топлива, подлежащего распылению для сгорания в главном устройстве сгорания, можно изменять температуру распыленного аэрозоля. Кроме того, в случае с топливной суспензией регулировки стехиометрии импульсного сгорания и соотношения между расходом при импульсном сгорании к расходу главного устройства сгорания приводит к тому, что сухой уголь, либо другое твердое топливо выделяется из импульсного распылителя в полость главного устройства сгорания. Кроме того, воспламенение устройства импульсного сгорания при близких стехиометрических условиях (3% избытка воздуха в топливе) и при существенно высоком расходе топлива дает возможность распыленному топливу, выделяющемуся из распылителя, получить воспламеняемые с опережением летучие и воспламеняемые мелкие фракции вместе с улетученными более твердыми частицами топлива и с топливной суспензией. Это в свою очередь, стабилизирует пламя внутри полости главного устройства сгорания и дает большую устойчивость главного устройства сгорания без срыва пламени. Кроме того, при работе в условиях распыления/высушивания, вывода летучих и воспламенения с опережением, не потребуется предварительного нагревания либо воздуха для сгорания в главном устройстве сгорания для стабилизации горения распыленной суспензии.
Устройство распыления с импульсным сгоранием настоящего изобретения работает следующим образом. Топливо для сгорания в устройстве импульсного сгорания подается в камеру импульсного сгорания 12 через средство ввода первичного топлива 18 или, как вариант, через клапан 14 в виде топливовоздушной смеси. Воздух подается через клапан 14, а устройство зажигания (не показано) поджигает топливо в камере сгорания 12. Горные топлива создает пульсирующий поток продуктов сгорания, используемый как распыляющая текучая среда в настоящем изобретении. Импульсное сгорание происходит при самовсасывании, как здесь описано. Поток распыляющей текучей среды, покидая камеру сгорания 12, проходит к и через один или несколько резонансных парубков 16. При размещении на или рядом с сочленением резонансного патрубка(ков) 16 и камерой сгорания 12 устройство ввода дополнительного топлива 20 подает топливо, подлежащее распылению, с помощью устройства импульсного сгорания 10. Топливо, подлежащее распылению и подаваемое через устройство ввода дополнительного топлива 20, доставляется к потоку распыляющего газа, так что колеблющееся или пульсирующее поле потока, описанное выше, может действовать на него, вызывая распыление топлива. Топливо, которое затем распыляется, подается далее для реализации таких процессов, как сгорание, газификация и т. п.
В таком устройстве для распыления с импульсным сгоранием высушивание, вывод летучих и предварительное зажигание топлива, впрыснутого в устройство импульсного сгорания, достигается при очень высокой скорости в поле горячего пульсирующего потока, находящемся в резонансном патрубке(ках) 16. Это позволяет получить глубокие преобразования в главном устройстве сгорания, что уменьшает выход NOx, как было описано ранее. Кроме того, тем самым достигается высокая устойчивость без срыва пламени и умеренная температура сгорания, что уменьшает выход NOx, как было описано ранее. Кроме того, тем самым достигается высокая устойчивость без срыва пламени и умеренная температура сгорания, что уменьшает образование термических NOx, и высокая эффективность сгорания при небольшом предварительном подогреве или вовсе без него. Это, конечно, исключает необходимость в дорогих предварительных нагревателях воздуха для сгорания, которые необходимы в известных установках, и сокращает капитальные и эксплуатационные затраты, обеспечивая в то же время лучшие характеристики главного устройства сгорания на топливных суспензиях или жидких топливах.
Следовательно, когда для распыления топливных суспензий и жидких топлив используется описанный распылитель топлива с импульсным сгоранием, достигается несколько желательных преимуществ. Например, отпадает необходимость в сжатом воздухе для распыления топлива. Это, конечно, исключает как затраты паразитной мощности, необходимой для получения сжатого воздуха, так и капитальные и эксплуатационные затраты, необходимые для обеспечения компрессорного оборудования. Кроме того, исчезают проблемы с эрозией, связанные с ранее описанными двухканальными устройствами распыления с внутренним смешиванием. Кроме того, уменьшается потребление высокой паразитной мощности, характерное для двухканальных распылителей с внешним смешиванием. Распылитель с импульсным сгоранием настоящего изобретения по существу работает как двухканальный распылитель с внешним смешиванием, имеющий более низкую скорость эрозии. Распыляющая текучая среда образуется в самовсасывающем устройстве импульсного сгорания путем сжигания топлива. Это образование осуществляется в системе, в которой не требуются по существу двигающиеся части и воздушные компрессоры.
Итак, приготовление первичного топлива для эффективного сгорания и для газификации при стабильности пламени, высокой устойчивости и глубоких преобразованиях при сгорании следует признать как преимущество по сравнению с известными двухканальными распылителями с внутренним и внешним смешиванием. В известных двухканальных распылителях размеры капель распыляемой суспензии обычно больше, чем размеры частиц угля, присутствующих в начальной суспензии, что является результатом наполнения топлива водой. Для угля с водой требуется ряд дополнительных операций для выпаривания воды из капель, а также для вывода летучих и зажигания топлива. Кроме того, если используются крекинговые угли (такие как битумные угли, обычного применяемые при изготовлении топливных суспензий), из капель, содержащих множество частиц, образуются агломераты мелких фракций, что приводит к уменьшению отношения поверхности к массе сгорающего топлива. Кроме того, присутствие воды в суспензии обычно требует значительного количества предварительно нагретого воздуха для сгорания, для того чтобы избежать срыва пламени в главном устройстве сгорания. Даже при предварительном подогреве воздуха для сгорания устойчивость и степень преобразования, особенно глубокого преобразования при использовании топливной суспензии, ограничена из-за присутствия в топливе воды. Это не так в случае, если топливные суспензии распыляются с помощью настоящего изобретения, в котором они подвергаются значительному высушиванию, выводу летучих и зажиганию с опережением.
Кроме того, распылитель с импульсным сгоранием в результате увеличивает смешивание топлива с воздухом благодаря пульсации потока продуктов сгорания. Более того, присутствие твердых частиц в потоке распыляющей текучей среды позволяет повысить распыляющую способность потока.
В другом варианте реализации настоящего изобретения распылитель с импульсным сгоранием может работать в условиях сжатого или нагнетаемого при впуске воздуха. Как показано на фигуре 5, воздушная камера 24 может быть соединена с помощью трубопровода с нагнетателем 26. Нагнетатель 26 может представлять собой принудительный вентилятор, используемый для подачи первичного воздуха в воздушную камеру 24. Воздушная камера 24 работает как накопитель и старается подавать первичный воздух к устройству импульсного сгорания при приблизительно постоянном статическом давлении. Подъем давления благодаря импульсному сгоранию согласно данному примеру воплощения позволяет снизить требуемые размеры, мощность и стоимость принудительного нагнетателя. Нагнетатель 26 взамен может представлять собой воздуходувку, воздушный компрессор либо другой прибор для нагнетания воздуха, подаваемого к клапану 14.
Как показано на фигурах 4 и 5, топливо, которое было распылено устройством импульсного сгорания 10, может подаваться в полость главного устройства сгорания 50. Кроме того, распыленное топливо, полученное с помощью настоящего устройства, может подаваться в известную установку для газификации, описанную в патенте США N 5059404. Полость главного устройства сгорания может содержать другие средства импульсного сгорания либо взамен представлять собой известную установку для сгорания.
Хотя предпочтительные варианты реализации изобретения были описаны с применением конкретных терминов, устройств, понятий и способов, это сделано в целях иллюстрации. Используемые термины применяются скорее для описания, чем для ограничения. Должно быть понятно, что могут быть внесены изменения и вариации, если при этом не будет отклонений от духа и объема формулы изобретения.
Реферат
Изобретение предназначено для распыления жидкости или суспензии с использованием камеры импульсного сгорания. Источник подачи топлива в устройство импульсного сгорания выполнен в виде отдельного средства для ввода в него топлива, клапан служит для ввода в него воздуха, а средство для ввода жидкости или суспензии расположено ниже по потоку от камеры сгорания. Изобретение позволяет повысить эффективность распыления жидкости и суспензий. 4 с. и 5 з.п.ф-лы, 5 ил.
